A descarbonetação no aço rápido pode reduzir drasticamente a qualidade do produto, causando falhas precoces, fissuras de têmpera e resistência à fadiga reduzida. Mas o que é que causa este efeito prejudicial? Os contaminantes nos banhos de sal, a humidade no ar e os processos de aquecimento inadequados têm todos um papel importante. Ao compreender estes factores e ao implementar medidas preventivas, tais como uma limpeza minuciosa e um controlo preciso da temperatura, podemos melhorar significativamente a vida útil e o desempenho das ferramentas de aço. Mergulhe neste artigo para explorar estratégias eficazes para combater a descarbonetação e proteger os seus investimentos em aço rápido.
A descarbonetação de peças de trabalho durante o aquecimento e a têmpera em banho de sal é inevitável por várias razões.
Se a camada de descarbonetação for relativamente fina, o processo de retificação subsequente pode removê-la completamente, sem causar problemas.
No entanto, se a camada de descarbonetação não puder ser totalmente removida, a qualidade do produto deteriorar-se-á significativamente.
A descarbonetação refere-se à redução do teor de carbono na superfície do aço durante o aquecimento, ou à combustão do carbono com o oxigénio para formar CO2 (C + O2 → CO2).
O processo de descarbonetação ocorre quando o carbono na superfície do aço reage com o oxigénio, hidrogénio, etc. a altas temperaturas, conduzindo a alterações na composição da superfície e afectando potencialmente a qualidade do tratamento térmico.
A sua principal caraterística são os seguintes aspectos.
A descarbonetação de uma peça de trabalho temperada pode reduzir a dureza da sua superfície e afetar negativamente a sua vida útil.
Por exemplo, uma fresa de ranhura de parafuso feita de aço W18Cr4V com dimensões de φ40mm x 1mm, como mostrado na Fig. 1, demonstra os efeitos da descarbonetação durante o tratamento térmico. A microestrutura da superfície da ponta do dente exibe uma camada de descarbonetação cristalina branca com uma microdureza de 338HV, uma pequena quantidade de zona de transição de troostita preta com uma microdureza de 627HV e uma combinação de temperado normal martensite e uma pequena quantidade de carboneto com uma microdureza de 825HV.
Nota-se que a camada de descarbonetação está distribuída ao longo do perfil do dente. Isto indica que a descarbonetação ocorreu durante o processo de tratamento térmico. O resultado é uma fresa que sofre desgaste precoce devido à sua baixa dureza.
Fig. 1 têmpera e descarbonetação de uma fresa para ranhuras de parafusos
A descarbonetação por arrefecimento resulta numa diferença na concentração de carbono entre as camadas interna e externa da peça de trabalho, levando a uma transformação desigual durante o processo de tratamento térmico e a taxas variáveis de expansão e contração de volume.
Isto, por sua vez, cria tensões estruturais e térmicas significativas, que aumentam a probabilidade de formação de microfissuras em pontos de concentração de tensão na peça de trabalho.
A descarbonetação de peças de trabalho afecta significativamente a sua resistência à fadigaparticularmente para ferramentas que são sujeitas a tensões alternadas de forma recíproca. Esta sensibilidade à vida resulta em descamação da superfície, fratura e outras formas de danos prematuros como as principais características de falha.
A utilização de sal fundido temperado a altas temperaturas pode resultar em reacções entre sulfatos, carbonatos e água, causando oxidação e descarbonetação em casos ligeiros e corrosão por picadas em casos graves.
Além disso, a superfície da peça de trabalho é processada com sulfato de cobre para revestimento químico de cobre, conforme exigido pelo processo.
Se a camada superficial de revestimento de cobre for aquecida a altas temperaturas antes da remoção, também resultará em corrosão da superfície da peça de trabalho após a têmpera.
Para manter a limpeza do banho de sal e evitar a descarbonetação das peças temperadas, muitas fábricas adicionam um desoxidante adequado ao sal fundido. No entanto, é importante notar que uma construção incorrecta pode levar à queima da peça de trabalho.
Como se pode ver na Fig. 2, uma fresa de ranhura roscada de aço M2 com um diâmetro de 46 mm e uma espessura de 1 mm foi desmantelada devido à queima causada pelo desoxidante ferrosilício.
A estrutura metalográfica no ponto de queima foi identificada como ledeburita secundária, com uma faixa preta de troostita (uma área pobre em carbono) na junção com a estrutura normal, como mostrado na Fig. 3.
Fig. 2 Aspeto da fresa queimada
Fig. 3 Metalografia da fresa queimada
O efeito mais notório da descarbonetação é uma diminuição da vida útil da ferramenta ou, em casos graves, a sua inutilização.
As principais causas de descarbonetação durante a têmpera por banho de sal são as seguintes
(1) Impurezas nocivas, como o Na2SO4, BaSO4, Na2CO3, CaCO3e BaCO3presentes no banho de sal que promovem a descarbonização.
(2) O aumento da solubilidade da água no ar facilita a descarbonização.
(3) Ferrugem na peça de trabalho ou no dispositivo de têmpera.
(4) O processo de aquecimento no banho de sal aumenta o teor de óxido e o teor de oxigénio, o que contribui para a descarbonetação da peça de trabalho.
(5) A acumulação de nitrato no gancho de arrefecimento ou a presença de sal de cloreto misturado com nitrato também aumentará o teor de oxigénio no banho de sal.
(6) Desoxidação inadequada do banho de sal ou remoção incompleta das escórias.
(7) Envelhecimento do banho de sal e não substituição atempada do mesmo.
Existem vários métodos para determinar se um banho de sal descarboniza. O método mais fácil é a utilização de uma lima, mas requer uma grande experiência prática. Outros métodos incluem o teste da folha de aço, a análise química, o teste de dureza e a determinação da microestrutura. Segue-se uma breve descrição de cada um deles.
Para a descarbonetação através da têmpera em banho de sal, um sulco em forma de V é limado com uma lima com uma dureza de 66HRC ou superior, uma vez que a dureza da peça é inferior à do núcleo. A profundidade da ranhura determina a extensão da descarbonetação.
Alguns fabricantes de ferramentas determinam a dureza e a camada de descarbonetação de ferramentas de aço rápido utilizando limas de fabrico próprio. Estas limas são feitas de aço rápido 4341 e são submetidas a processos de reforço da superfície, tais como QPQ.
Depois de arrefecer a amostra ou a peça de ensaio num banho de sal, esta é aquecida a 700 ℃ e imersa em ácido clorídrico 20% durante vários minutos. A peça é então limpa e observada.
A parte descarbonetada e a parte não descarbonetada têm uma resistência à corrosão diferente, o que faz com que a parte descarbonetada apareça branca. A profundidade da camada descarbonetada pode ser determinada examinando-a com uma lupa.
Medir a distribuição da dureza ao longo da secção transversal da amostra que foi submetida ao tratamento térmico por banho de sal. Se a dureza da superfície for diferente da do núcleo, a camada descarbonetada pode ser determinada identificando onde a dureza é igual à dureza do núcleo.
Algumas pessoas acreditam que um limite de dureza de 823HV0-1 é utilizado para determinar se o aço rápido sofreu descarbonetação após o tratamento térmico. A distância entre este limite e a superfície representa a profundidade da camada descarbonetada.
Uma folha de aço (constituída por uma tira de aço carbono 1.0% com uma espessura de 0,5 mm, largura de 30 mm e comprimento de 150 mm) é colocada num banho de sal e aquecida durante o tempo especificado nas condições descritas na Tabela 1. Após o aquecimento, é temperado em água corrente da torneira a 10-30 ℃ para arrefecimento e partido à mão para avaliar a sua resistência à rutura. A descarbonetação e a deterioração do banho de sal são então determinadas com base nos critérios descritos na Tabela 2.
Quadro 1 Tempo de aquecimento da folha de aço num banho de sal
| Temperatura de aquecimento do banho de sal / ℃ | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 | 1300 |
| Tempo de aquecimento / min | 20 | 15 | 10 | 5 | 3 | 2 |
Quadro 2 critérios de determinação para as folhas de aço
| Carácter | Condição de rutura | Teor de carbono do aço folha de alumínio (%) | Taxa de descarbonetação da folha de aço (%) | O banho de sal é adequado |
| 1 | Frágil quando quebrado | >0.60 | 30~40 | ○ |
| 2 | Elástico quando quebrado | 0.40~0.50 | 50~60 | △ |
| 3 | Só depois de reviravoltas é que pode quebrar | 0.20~0.30 | 70~80 | × |
| 4 | As voltas e reviravoltas são intermináveis | <0.20 | 80~90 | × |
Como ilustrado na Fig. 4, o tamanho do grão na camada superficial de uma peça de aço rápido que foi submetida a têmpera e descarbonetação é relativamente grosseiro.
Fig. 4 Metalografia da fresa descarbonizada
(1) A ferrugem que se formou no cabo do elétrodo e no dispositivo de fixação deve ser removida antes da têmpera.
(2) As escórias que se acumularam devido ao óxido no sal fundido ou quaisquer objectos flutuantes na superfície do líquido devem ser removidos rapidamente.
(3) Independentemente do facto de as peças estarem ou não secas, devem ser cozidas e secas completamente.
(4) O sal que está agarrado à peça de trabalho ou ao acessório, ou o sal espalhado, não deve ser levado para o banho de sal devido ao elevado risco de oxidação, e deve ser evitado e removido.
(5) A alcalinidade do sal fundido é melhorada, impedindo a sua reação com a atmosfera.
Para prevenir e minimizar a propagação da doença, podem ser tomadas as seguintes medidas:
① A temperatura do banho de sal deve ser mantida o mais baixa possível.
② O tamanho da área da superfície do banho de sal deve ser minimizado.
③ A tampa do forno deve ser coberta se não estiver a ser efectuada a têmpera.
④ A superfície do líquido do banho deve ser coberta por um fluxo circulante de azoto ou gás inerte.
(6) Se o forno estiver inativo durante um longo período de tempo, a solução salina deve ser drenada, seca, partida em pequenos pedaços e armazenada num local seco. Se for encontrado um grande número de lama negra ou de inclusões, estas devem ser deitadas fora e não devem continuar a ser utilizadas.
(7) A escória deve ser totalmente desoxidada e removida completa e minuciosamente.
(8) Um sal de ação prolongada não desoxigenado ou um 5% MgF2 banho de sal de alta temperatura (95% BaCl2) deve ser utilizado.
(9) O sal adquirido em fontes reputadas deve ser objeto de amostragem e ensaio antes de ser introduzido na fábrica e armazenado, e só pode ser utilizado depois de ter sido aprovado nas qualificações.
(10) Deve ser praticada uma gestão eficaz dos sítios e os potenciais factores de descarbonização devem ser tratados atempadamente.
Atualmente, o forno de banho de sal continua a ser o principal equipamento de aquecimento para o tratamento térmico do aço rápido.
Embora o desenvolvimento dos fornos de vácuo tenha sido rápido, estes não podem substituir totalmente o forno de banho de sal.
Durante um período prolongado, as vantagens de ambos complementar-se-ão e coexistirão, mas o banho de sal acabará por desaparecer.
Atualmente, é fundamental prestar atenção à qualidade da têmpera em banho de sal, especialmente para evitar a descarbonetação.
Ao monitorizar de perto cada etapa, é possível garantir uma descarbonetação mínima ou nula, assegurando assim a longevidade das ferramentas.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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